基于FT2232H的高速数据采集系统设计

1、基于FT2232H的高速数据采集系统设计王曙1 向歆夷 2 林培群3 徐建闽4 （1.华南理工大学 土木与交通学院，广州 510510； 2.华南理工大学 自动化科学与技术学院，广州 510510；3.华南理工大学 土木与交通学院，广州 510510； 4.华南理工大学 土木与交通学院， 广州 510510）摘要：针对各种虚拟仪器对传输速率和开发难度的要求，设计了一种基于新型USB2.0高速接口的虚拟仪器采集系统。本系统采用FTDI公司第五代USB2.0接口芯片FT2232H,利用其异步FIFO接口与STM32F103的FSMC接口相互传输数据，使用Labview设计上位机界面，调用提供的动态

2、链接库DLL和MCU固件库,可快速实现高速接口的数据传输，STM32F103内部集成了12位高精度A/D转换器，外部信号经过处理后采集回数据并通过USB接口传送至PC，达到了降低开发难度、增强了系统稳定性的目的。关键词：USB2.0； FT2232H；异步FIFO；LABVIEW；FSMC中图分类号：TP216+.1文献标识码：ADesign of high-speed data acquisition system based on FT2232H Wang Shu1 Xiang Xinyi2 Xu Jianmin3 Lin Peiqun4( 1. School of Civil Engin

3、eering and Transportation, South China University of Technology， Guangzhou 510510;2.School of Automation Science and Technology, South China University of Technology， Guangzhou 510510;3.School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology， Guangzhou 5105104.School of

4、Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology， Guangzhou 510510)Abstract: Based on the requirements of transmission speed and development difficulty of various virtual instruments, an acquisition system on basis of new USB2.0 high-speed interface has been designed. In or

5、der to transmit data quickly among high-speed interfaces, this system employs the interface chip FT2232H of FTDI Companys fifth generation USB2.0, using its asynchronous FIFO interface to transmit data to FSMC interface of STM32F103, and applies Labview to design PC interface as well as making use o

6、f the available Dynamic Link Library (DLL) and Firmware Library MCU. The STM32F103 includes 12 bit high-precision A/D convertors which can process the external signals, collect those data and transmit them to PC through USB interface. In this way, the aim of reducing the development difficulty and s

7、trengthening the system stability can be achieved.Key words: USB2.0; FT2232H; Asynchronous FIFO; Labview; FSMC0引言近年以来，由于工业技术的发展，生产技术的不断进步，需要测试内容繁多，且电子技术发展十分迅猛，随着USB2.0技术的发展和普及，带USB接口的数据采集系统得到广泛的重视和应用。传统仪器采集接口大部分是用串口或全速USB接口，速率跟不上，功能单一，开发新功能或新产品的难度大，已经无法适应各种新的测量应用。传统仪器大多价格昂贵、体积大、不易操作，已经无法满足工业测试的要求。新兴

8、的虚拟仪器作为传统测试测量仪器可能的替代品，自从1986年美国国家仪器公司(NI)首先提出其概念，短短二十几年来，其发展十分迅速。目前已拥有数百个型号的虚拟仪器产品，其应用涉及到电子工业测量、过程控制、电信、医学等领域。我国虚拟仪器研究的起步较晚，最早的研究也是从引进消化NI的产品开始，但其发展也是十分迅速的。我国国民经济的持续快速发展，加快了企业的技术升级步伐，对先进仪器设备的需求更加强劲，虚拟仪器赖以生存的个人计算机最近几年以极高的速度在中国发展，这些都为虚拟仪器在我国的普及奠定了良好的基础。随着我国个人计算机的普及以及性能的不断提高，这种基于计算机的虚拟仪器在我国将会被更加广泛的应用。工

9、业中大量数据分析，像振动，音频，视频等，依靠电子仪器处理数据会增加芯片的处理负担，升级芯片则成本增加，在我国由于电子技术水平相对落后，许多高精度、高性能的电子仪器都要进口，价格昂贵，难以被广泛使用，因而研制这种成本低的高性能的虚拟仪器，是很有必要的，而虚拟仪器也将成为今后电子工业测量发展的主流。针对此项需求，文中提出一种新USB2 .0接口多功能数据采集系统, 解决其传输速率的瓶颈。1 系统整体结构概述本设计主要是研制一个基于USB2.0高速以及ARM对模拟信号的采集，在LABVIEW上显示，该系统的整体结构框图如图1所示。系统主要由信号采集模块、USB接口模块和LABVIEW应用程序三个主要

10、部分组成。其中信号采集模块有信号调理电路和AD采样程序，USB接口模块主要是ARM芯片中FSMC对FT2232H中的FIFO的读写操作，PC机部分是由驱动程序、动态链接库文件和LABVIEW应用程序构成。下位机主要实现数据采集电路采集到的数据传到PC机，也要使PC机的控制信息能够传到下位机上，从而实现控制数据采集工作，其中LABVIEW应用程序要能够对采集到的数据进行处理、显示，还有对下位机采集的控制。图1 系统框架图系统的基本工作原理如下：写过程如下，LABVIEW程序调用动态链接库中相关函数，打开和关闭USB相关句柄，发送数据到FT2232H的FIFO中，STM32F103通过FSMC接口

11、将数据读回到ARM内存中，用串口打印显示，便知道传输正误；读过程如下，STM32F103将采集到得数据通过FSMC,传递给FT2232H的FIFO,由上位机LABVIEW 控制读的过程，然后再显示栏中显示相关数据，且用LABVIEW中虚拟示波器显示信号实时波形。通过控制虚拟界面就能够实现各种各样的功能，有设备字符的提示，计算传输速率，统计传输字节数量等。2 系统设计2.1系统硬件设计2.1.1数据采集电路设计数据采集部分的功能就是采集被测信号波形数据并把它存人到ARM内存中, 首先把信号进行预处理，再经过A/D转换器转换成数字信号，最后存入ARM中。数据采集部分可以分为以下几个部分：信号调理、

12、A/D转换。图2被测信号调理电路如图2所示，信号调理电路的主要作用就是使输入信号满足AD转换基准电压幅度要求，也可扩大了输入信号范围，滤去不必要的干扰，像高频谐波，工频干扰，地线干扰，共模信号等，模拟信号调理主要包括：幅度控制、共模相减和加法器该电路主要采用两级运算放大器电路构成。A/D采集需要基准电压，而STM32F103内部提供的参考电压不太稳定，利用通用的基准电压芯片TL431，其引脚1输出2.5V参考电压，外加滤波电容，布局靠近主控芯片，可以稳定工作。2.1.2 USB接口电路设计FTDI推出的第五代USB-to-UART/FIFO IC 支持 480 Mb/s USB 2.0 的高速

13、规范，并可在各种工业标准的串行或并行接口（例如UART 或 FIFO）下进行配置，FT2232H 提供两种可配置的接口，均可配置为UART、JTAG、SPI、I2C 或带独立波特率发生器的位响应模式串口。此外，可将 FT2232H 配置为双 FT245 FIFO、主机总线仿真模式、CPU-FIFO 模式或光隔离串行接口模式。当配置成RS-232/-422/-485 UART 接口时，可支持数据传输率达 12 Mb/s；当配置为并行FIFO 接口时，数据传输率达 25 MB/；当配置为异步FIFO模式传输速率达到8MB/s。内部集成了USB协议引擎（可以控制UTMI，处理USB 2.0高速接口的

14、各个方面），并且集成了整个USB协议。STM32F103是新一代ARMCortex-M3核处理器，最高工作频率达72MHz,资源丰富，功大，2个12位模数转换器，1us转换时间（多达16个输入通道）转换范围：0至3.6V，双采样和保持功能，而其特殊的可变静态存储技术FSMC具有高度的灵活性，其卓越的性能和功耗控制能够适用于广泛的应用领域； 93C56是微星公司的一款基于SPI串行接口的EEPROM, ，容量大小为256 *8-bit 或 128 * 16-bit, 高可靠性，擦写寿命100万次，数据保持时间约100年。图3所示，EEPROM用于保存FT2232H配置完成的工作模式等，若无EEP

15、ROM，FT2232H默认工作在USB-UART方式，双向稳压二级管保证USB传输数据稳定。图3 USB接口电路FT2232H与STM32的接口如图3所示，其中STM32的FSMC与FT2232H异步FIFO相连，即有8位双向数据总线D0-D7,读写控制线WR，RD,状态信号RXF,TXE，高低电平分别表示读写FT2232H内部4KB FIFO缓存，反应FIFO满/空状态。图4 异步FIFO模式下读信号波形 图5 异步FIFO模式下写信号波形FSMC读写FIFO的过程如图4和图5，读过程，当RXF为低时，即可以读FIFO中数据，将RD拉低即可读出数据；写过程，当TXE为低时，即还可以向FIFO

16、中写数据。先给数据线上提供数据，后拉低WR即可写入数据。2.2 系统软件设计一个 USB 设备的软件系统一般有设备固件设计、设备驱动程序及应用程序。本文主要介绍 USB 设备固件和应用程序的设计；其设备驱动程序，FTDI公司提供了串口VCP和D2XX两种驱动程序，免去了复杂的USB驱动程序的开发过程。2.2.1设备固件设计设备固件设计包括配置相关模式，和主控器读FT2232H的读写控制，如图所示，FTDI公司提供了MProg 3.5软件，方便了配置各种传输模式。如图6，MProg 3.5软件应用于本设计采用245异步FIFO传输方式，利用D2XX Direct 驱动程序，在PC机设备管理器上可

17、看见USB的两个设备。图6 FT2232的配置与显示主控器读写FT2232H的读写控制，利用STM32的FSMC的灵活性，FSMC管理1GB的映射地址空间，分为4个256MB的子BANK,本设计采用BANK1中SRAM控制方式，而FIFO没有地址线，却有空/满信号线.表1 STM32的FSMC分配表针对245异步FIFO时序要求，定义读写地址为(uint32_t)(0x60000000)利用ST提供的固件库进行主要初始化操作如下： FSMC_NORSRAMInitTypeDef FSMC_InitStruc;/定义初始化数据结构体 FSMC_NORSRAMTimingInitTypeDef p

18、;/定义初始化时间参数结构体/*读写FIFO时序的定义 ,时间设置查看FT2232H DataSheet*/p.FSMC_AddressSetupTime = 0X1; p.FSMC_AddressHoldTime = 0X0; p.FSMC_DataSetupTime = 0X01; p.FSMC_BusTurnAroundDuration = 0; p.FSMC_CLKDivision = 0; p.FSMC_DataLatency = 0; p.FSMC_AccessMode = FSMC_AccessMode_A;/*与FSMC相关数据寄存器配置*/ FSMC_InitStruc.FS

19、MC_Bank = FSMC_Bank1_NORSRAM1;/扩展端口为NOR BANK 的第1个BANK FSMC_InitStruc.FSMC_DataAddressMux = FSMC_DataAddressMux_Disable;/不使用总线复用 FSMC_InitStruc.FSMC_MemoryType = FSMC_MemoryType_PSRAM;/扩展类型为SRAM读写方式 FSMC_InitStruc.FSMC_MemoryDataWidth = FSMC_MemoryDataWidth_8b;/扩展总线宽度8位 FSMC_InitStruc.FSMC_ReadWriteT

20、imingStruct = &p;/读写统一时间参数 FSMC_InitStruc.FSMC_WriteTimingStruct = &p;/指向定义的时间结构/*调用初始化函数，实现对FSMC的配置*/ FSMC_NORSRAMInit(&FSMC_InitStruc); /*使能FSMC*/ FSMC_NORSRAMCmd(FSMC_Bank1_NORSRAM1, ENABLE);AD数据通过STM32自带DMA传送到内部RAM，通过幅值变换，再用FSMC写FIFO,将数据传输到PC，经由上位机显示波形和相关数据。 图7 主程序软件流程图 图8 DMA中断软件流程图2.2.2上位机程序设计

21、Labview是美国NI公司推出的一种基于G语言的虚拟仪器软件开发工具，具有强大的数据采集功能，内含丰富的数据采集、数据信号分析以及控制等子程序。利用Labview做USB的数据采集系统，需要驱动程序支持，如图8所示，可不必掌握从硬件结构到软件系统的所有细节。图9 USB功能体系结构图FTDI公司提供动态链接库文件(.dll)，在Windows操作系统中，对USB 接口通信采用阶层式的驱动模式，每个一个驱动程序阶层负责处理一部分通信工作。在应用程序的阶层中，以设备驱动程序与系统的总线驱动程序来通信，而其中总线的驱动程序用来处理USB的硬件。，而应用程序调用Windows API函数与设备驱动程

22、序联系，从而实现对硬件的控制。在本系统中，Labview调用ftd2xx.dll，可将动态链接库中各个函数做子VI，可以参照D2XX_Programmers_Guide中各个函数的使用方式。Labview 程序设计模式采用状态机形式。图10 Labview 程序3 相关功能实现3.1 读功能展示 采样模拟信号在应用程序上显示波形和数据，如图10，函数发生器提供一正弦波的电压信号接到信号调理端的输入端，经过稳幅，STM32的AD采样，将12位的数字信号压缩成8位，通过FSMC写入FIFO,然后由labview应用软件读出并在显示其正弦波波形。 图11 读功能运行结果的界面 图12 写功能运行结果的界面3.2 写功能展示 如图11在Labview界面的，写区域，写上一定量的数据，数据经由设备传输到FT2232H的FIFO中，再又按键控制读FIFO内数据到串口打印屏幕上。3.3 传输速率测试如图12，STM32中准备1024个字节的数据传输到PC机，并计算其传输速率。图13 测试速率功能运行结果的界面4 结束语用Labview开发USB高速传输系统，相对方便，USB的普及性加之Labview在采集测试行业的优势，不用掌握USB协议细节，便可利用其在多通道采